摘要：今天，瑞典皇家科学院将2025年诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·H·德沃雷（Michel H． Devoret） 和约翰·M·马蒂尼斯（John M． Martinis）， 以表彰他们在电路中发现宏观量子力学隧穿效应与能量量子

NASA爱好者

今天，瑞典皇家科学院将2025年诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·H·德沃雷（Michel H． Devoret） 和约翰·M·马蒂尼斯（John M． Martinis）， 以表彰他们在电路中发现宏观量子力学隧穿效应与能量量子化现象方面的成就。

量子力学描述的是在单个粒子尺度上起重要作用的性质。在量子物理学中，这些现象被称为“微观”，即使它们小到光学显微镜都无法直接观察。这与“宏观”现象形成鲜明对比，宏观现象由大量粒子组成。比如，一个日常生活中的球体由天文数量的分子组成，表现出完全的经典行为，没有任何量子力学效应。我们知道，当你把球扔向墙壁，它一定会弹回来。然而，在微观世界中，一个单独的粒子有时却能“穿透”相当于墙壁的障碍，出现在另一边，这一量子力学现象称为“隧穿效应（tunnelling）”。

今年的诺贝尔物理学奖，表彰的是那些在“宏观尺度”上观测到量子隧穿效应的实验，也就是说，这种效应发生在包含大量粒子的系统中。1984年和1985年，约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·德沃雷（Michel Devoret）和约翰·马丁尼斯（John Martinis）在加州大学伯克利分校进行了一系列实验。他们搭建了一个由两个超导体构成的电路，超导体是一种可以无电阻导电的材料，并在它们之间加入了一层不导电的极薄绝缘层。在这一实验中，他们证明可以控制并研究这样一种现象：超导体中的所有带电粒子表现得仿佛它们是一个“整体粒子”，一个充满整个电路的单一量子系统。

“穿墙术”：量子世界有多奇怪？

在我们的日常世界里，一个球扔向墙壁，必然会反弹回来。我们把这种由大量粒子组成的、符合日常经验的现象称为宏观 （macroscopic）现象。

但在比显微镜尺度还小得多的 微观 （microscopic）世界里，规则完全不同。一个微观粒子，比如电子，在撞向能量壁垒时，有时并不会反弹，而是有一定概率直接“穿”过去，出现在另一边。这个令人匪夷所思的现象，就是量子力学中的 量子隧穿 （quantum tunneling），俗称“穿墙术”。

当你把球扔向墙时，它必定会被弹回。若球突然“出现在”墙的另一侧，你会感到极度震惊。这正是量子物理被认为“诡异且反直觉”的原因所在。

图源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科学院

打个比方：你把球扔向一堵墙，它每次都会弹回来。但如果这个球是个量子粒子，那么你扔一万次，可能就有一次，它会神秘地出现在墙的另一边，就好像墙壁不存在一样。

长久以来，人们认为这种现象只属于微观世界。而今年的诺奖得主们，却成功地在一个由数十亿粒子组成的“宏观”系统中，观测到了这种集体“穿墙”的奇景。

一场“宏大”的量子实验

时间回到1984年和1985年，在加州大学伯克利分校，Clarke、Devoret 和 Martinis 合作进行了一系列开创性实验。

他们构建了一个特殊的电路，核心部件是用一层薄薄的绝缘体隔开的两个 超导体（一种可以无电阻导电的神奇材料）。在这个电路中，所有带电粒子（库珀对，即成对的电子）步调完全一致，行动起来就如同一个充满整个电路的、巨大的“超级粒子”。

实验开始时，这个“超级粒子”系统被困在一个零电压的状态，就像一个被卡住的开关，无法推到“开启”位置。

实验开始时没有电压，就像一个开关处于“关闭”状态，被某种屏障阻止了转到“开启”。如果没有量子力学的作用，这种状态将永远保持不变。但突然间，电压出现了，仿佛开关在有屏障的情况下自己翻到了“开”的位置。这就是“宏观量子隧穿”现象。

图源： Johan Jarnestad / 瑞典皇家科学院

然而，奇迹发生了：在没有任何外部能量推动的情况下，系统突然“隧穿”了能量壁垒，产生了一个可测量的电压！这就像那个被卡住的开关，无视障碍，自己从“关闭”跳到了“开启”。这就是实验的核心，宏观量子隧穿 （macroscopic quantum tunnelling）。

物理学家早在近一个世纪前就知道，隧穿是导致某类核衰变（α 衰变）的关键机制，原子核中的微小部分“穿出”势垒并逃逸。

图源： Johan Jarnestad / 瑞典皇家科学院

不仅如此，他们还通过向系统发射微波，发现系统只能吸收特定“份量”的能量，不多也不少。这完美证实了量子世界的另一个基本特性，能量量子化 （energy quantisation）。

从原子核到薛定谔的猫Schrödinger‘s Cat

量子隧穿并非全新概念。早在1928年，物理学家就发现，放射性原子核的衰变就是一种隧穿现象，原子核的一部分粒子会“穿透”束缚它的能量壁垒，逃逸出来。

但这次的实验不同。它不是由单个粒子完成的，而是由数十亿个“库珀对”组成的集体行为。在超导体中，电子两两配对形成库珀对，它们失去了个性，像一个纪律严明的舞团，形成一个统一的整体，可以用一个共同的波函数来描述。正是这个宏观的量子态，让整个系统表现得像一个巨大的量子粒子。

在普通导体中，电子相互碰撞；而在超导体中，电子成对形成“库珀对”，电流无阻流动。图中的间隙表示“约瑟夫森结（Josephson junction）”。库珀对的集体行为可视为单个粒子充满整个电路。量子力学用一个共同波函数描述这种集体现象。

图源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科学院

理论物理学家将这个实验系统比作薛定谔那只著名的猫。在薛定谔的思想实验中，猫处于“既死又活”的量子叠加态。这个实验则在现实中创造了一个类似的东西：一个由海量粒子组成的宏观系统，作为一个整体，却遵循着微观世界的量子规则。它虽然远比一只小猫小，但在物理学家眼中，其本质非常接近。

克拉克、德沃雷和马丁尼斯用超导电路进行实验，电路芯片约1厘米大小。此前隧穿与能量量子化仅在少数粒子系统中观测到，而此实验首次在包含数十亿库珀对的宏观系统中实现。

图源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科学院

有什么用？量子计算机的基石

这项看似深奥的发现，实际上为未来的技术铺平了道路。

这个宏观量子系统，可以被看作一个 “人造原子”。它有接口、有线路，可以被连接和控制，成为研究其他量子系统的强大工具。

更重要的是，它直接催生了量子计算的一个重要方向。Martinis 教授后来利用这项成果，将人造原子的最低两个能级分别定义为 “0” 和 “1”，创造出了量子比特 （qubit），量子计算机的信息基本单元。

量子系统的能量是离散的。能量越高，隧穿越容易；因此具有较高能量的系统平均“被困”时间更短。

图源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科学院

如今，基于超导电路的量子计算机，正是全球科技巨头和顶尖实验室竞相研发的前沿领域之一。可以说，三位诺奖得主的工作，不仅加深了我们对物理世界基本规律的理解，也为开启下一次信息技术革命奠定了坚实的基础。

2025年诺贝尔物理学奖得主简介

JOHN CLARKE

1942年生于英国剑桥。1968年获英国剑桥大学博士学位。现为美国加州大学伯克利分校教授。

MICHEL H． DEVORET

1953年生于法国巴黎。1982年获法国巴黎第十一大学博士学位。现为美国耶鲁大学及加州大学圣巴巴拉分校教授。

JOHN M． MARTINIS

1958年生。1987年获美国加州大学伯克利分校博士学位。现为美国加州大学圣巴巴拉分校教授。

参考

https：//www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/popular-information/

来源：新浪财经